欠驱动船舶航迹跟踪控制及其硬件在环测试系统研究
这是一篇关于欠驱动船舶,航迹跟踪,扩张状态观测器,滑模控制,硬件在环的论文, 主要内容为船舶作为海上运输的主要工具,对于推动海上贸易发展十分重要。目前,大多数水面船舶是欠驱动船舶,欠驱动是指系统控制输入个数少于其运动自由度。在航行过程中,船舶所遭受的海洋环境扰动及船舶动态存在明显的不确定,船舶推进系统由于物理限制,其所提供的控制力与力矩存在饱和约束,这些都会对船舶的航迹跟踪控制带来挑战。此外,在对船舶航迹跟踪控制器进行实船实验之前,如果对其进行硬件在环测试,可以避免直接进行实船实验而造成的财产损失和人员伤害。因此,欠驱动船舶航迹跟踪控制及其硬件在环测试系统的研究,具有重要的理论意义和应用价值。本文首先建立欠驱动船舶运动数学模型;然后考虑欠驱动船舶存在动态不确定和未知时变海洋环境扰动的情况,采用输出重定义方法解决欠驱动问题,构造扩张状态观测器,在线估计由船舶动态不确定和未知时变海洋环境扰动构成的总扰动,并基于滑模控制方法,设计欠驱动船舶航迹跟踪滑模控制律,使得船舶能够跟踪期望航迹;进一步,构造有限时间扩张状态观测器,在线估计由船舶动态不确定和未知时变海洋环境扰动构成的总扰动,并基于非奇异快速终端滑模控制方法,设计欠驱动船舶有限时间航迹跟踪控制律,使得船舶能够跟踪期望航迹,并实现跟踪误差在有限时间内收敛;综合考虑欠驱动船舶存在动态不确定、未知时变海洋环境扰动以及输入饱和的情况,采用输出重定义方法解决欠驱动问题,构造有限时间超螺旋扩张状态观测器,在线估计由船舶动态不确定和未知时变海洋环境扰动构成的总扰动,设计辅助动态系统解决输入饱和问题,并基于超螺旋滑模控制方法,设计欠驱动船舶航迹跟踪超螺旋滑模控制律,使得船舶能够跟踪期望航迹,并实现跟踪误差在有限时间内收敛。以一艘单桨单舵集装箱船S175为仿真对象,利用MATLAB/Simulink软件仿真验证上述所有控制律的有效性。最后,利用OP4510实时仿真机、I/O接口箱和PC机完成硬件在环测试系统的搭建,利用Lab VIEW软件设计硬件在环测试系统人机交互界面;利用MATLAB和RT-LAB软件建立能够模拟船舶运动和海洋环境扰动的实时仿真模型。将所设计的欠驱动船舶航迹跟踪滑模控制律实现为PLC控制器。以此为例,利用所研制的硬件在环测试系统对该控制器进行硬件在环测试,测试结果验证所实现的控制器以及所研制的硬件在环测试系统是有效的。
欠驱动船舶航迹跟踪控制及其硬件在环测试系统研究
这是一篇关于欠驱动船舶,航迹跟踪,扩张状态观测器,滑模控制,硬件在环的论文, 主要内容为船舶作为海上运输的主要工具,对于推动海上贸易发展十分重要。目前,大多数水面船舶是欠驱动船舶,欠驱动是指系统控制输入个数少于其运动自由度。在航行过程中,船舶所遭受的海洋环境扰动及船舶动态存在明显的不确定,船舶推进系统由于物理限制,其所提供的控制力与力矩存在饱和约束,这些都会对船舶的航迹跟踪控制带来挑战。此外,在对船舶航迹跟踪控制器进行实船实验之前,如果对其进行硬件在环测试,可以避免直接进行实船实验而造成的财产损失和人员伤害。因此,欠驱动船舶航迹跟踪控制及其硬件在环测试系统的研究,具有重要的理论意义和应用价值。本文首先建立欠驱动船舶运动数学模型;然后考虑欠驱动船舶存在动态不确定和未知时变海洋环境扰动的情况,采用输出重定义方法解决欠驱动问题,构造扩张状态观测器,在线估计由船舶动态不确定和未知时变海洋环境扰动构成的总扰动,并基于滑模控制方法,设计欠驱动船舶航迹跟踪滑模控制律,使得船舶能够跟踪期望航迹;进一步,构造有限时间扩张状态观测器,在线估计由船舶动态不确定和未知时变海洋环境扰动构成的总扰动,并基于非奇异快速终端滑模控制方法,设计欠驱动船舶有限时间航迹跟踪控制律,使得船舶能够跟踪期望航迹,并实现跟踪误差在有限时间内收敛;综合考虑欠驱动船舶存在动态不确定、未知时变海洋环境扰动以及输入饱和的情况,采用输出重定义方法解决欠驱动问题,构造有限时间超螺旋扩张状态观测器,在线估计由船舶动态不确定和未知时变海洋环境扰动构成的总扰动,设计辅助动态系统解决输入饱和问题,并基于超螺旋滑模控制方法,设计欠驱动船舶航迹跟踪超螺旋滑模控制律,使得船舶能够跟踪期望航迹,并实现跟踪误差在有限时间内收敛。以一艘单桨单舵集装箱船S175为仿真对象,利用MATLAB/Simulink软件仿真验证上述所有控制律的有效性。最后,利用OP4510实时仿真机、I/O接口箱和PC机完成硬件在环测试系统的搭建,利用Lab VIEW软件设计硬件在环测试系统人机交互界面;利用MATLAB和RT-LAB软件建立能够模拟船舶运动和海洋环境扰动的实时仿真模型。将所设计的欠驱动船舶航迹跟踪滑模控制律实现为PLC控制器。以此为例,利用所研制的硬件在环测试系统对该控制器进行硬件在环测试,测试结果验证所实现的控制器以及所研制的硬件在环测试系统是有效的。
基于非线性系统的递归终端滑模近似最优控制策略研究与应用
这是一篇关于自适应动态规划,递归终端滑模,事件触发,输入约束,扩张状态观测器的论文, 主要内容为在基于非线性系统的最优控制问题上,传统的经典控制理论具有明显的局限性。自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming,ADP)融合了动态规划、强化学习和人工神经网络的思想,有效地克服了动态规划的产生维数灾的问题,并且在求解非线性近似最优控制方面展现了强大的优势。自适应动态规划控制策略与其他控制方法的有效融合,能更加体现其优越性和普适性,本文构造了一个由快速非奇异终端滑模面和递归积分终端滑模面组成的递归终端滑模面(RTSM),设计了基于递归终端滑模面的自适应动态规划(RTSM-ADP)控制策略,分别从系统存在执行器饱和、资源限制、模型不确定性、状态未完全已知等多个角度展开研究。本文的主要工作和贡献包括:(1)针对具有输入约束和外部干扰的非线性系统,本文提出了一种基于递归终端滑模的自适应动态规划控制策略,研究了非线性系统的最优一致性控制问题,针对工程实践中输入约束的问题,在设计控制器时引入非二次型函数,克服了饱和非线性问题。(2)基于所提出的控制策略,设计了一种新的事件触发机制,提出的事件触发机制确定了神经网络权重的更新时刻,并用Lyapunov方法证明了在所提出的触发机制下系统的整体稳定性,仿真结果表明该触发机制节约了网络通讯资源。(3)针对n阶内部状态未知的非线性系统,将建模不确定性、执行器故障以及外部干扰视为集总不确定性,并将集总不确定性作为一种新的状态加以增强,将广义故障观测器设计问题转化为状态观测器的设计问题,只用输入输出来重构系统内部状态,建立扩张状态观测器。设计了基于扩张状态观测器的递归终端滑模控制器,系统的总不确定性可以在控制动作中直接实时补偿,在控制器中消除扩张状态观测值以抵抗集总不确定性,有效的提高了响应速度和控制精度,通过Lyapunov方法证明了扩张状态观测器的收敛性以及系统的整体稳定性。(4)基于重构n阶系统内部状态变量组,克服了ADP控制器的设计依赖于系统的所有状态,本文仅用系统输入输出设计了基于自适应动态规划的近似最优补偿控制方案,通过李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的整体稳定性,并通过实验验证,证明了所提算法具有更快的响应速度和更高的控制精度。本文所提算法的基本结构都是单评价神经网络的结构,这种结构不仅可以保持神经网络权重的收敛性,而且可以通过评估评价神经网络的权重直接获得控制律。这样,可以避免自适应神经网络设计的复杂性,并极大地简化系统整体稳定性证明。对于每一个研究问题及提出的算法,文中均对系统进行了稳定性分析。在此基础上,以机械臂为研究对象,按照所提方法进行控制器设计,通过仿真实验和对比,一方面,证明了所提控制算法的有效性,另一方面,从节能性和工程可实现性的角度进行了进一步的分析。最后,针对设计的基于递归终端滑模的事件触发自适应动态规划控制策略,在the QNET VTOL 2.0垂直升降机系统完成实验验证,设计了Lab VIEW控制程序和整体控制流程,通过实物实验证明了所提方法在实际控制中的有效性。
基于反步法的气动系统位置跟踪控制研究
这是一篇关于气动系统,位置跟踪,反步法,干扰观测器,扩张状态观测器的论文, 主要内容为随着工业自动化的不断发展,气动控制的对象越来越复杂,工业自动化对气动控制系统的要求不断提高。本文将电气滑阀与气动执行器组成的气动系统作为研究对象,研究系统的位置跟踪控制。由于气动控制系统本身具有非线性特点以及在实际工况中受到未知干扰的影响等原因,给气动系统建模与控制器的设计带来困难。本文从实际情况出发,分析气动系统的工作原理以及系统运行过程中出现的问题,以设计出易于实现的控制器,稳定准确的气动系统为目标,展开对气动系统位置控制的研究。本文具体的研究内容如下:首先,介绍了气动控制技术的研究概况,并且分析了本课题对气动控制系统研究的主要意义。通过分析气动系统的结构组成以及工作原理,并对系统的动态过程进行合理的假设,建立了气动系统机理模型,确定系统模型形式与阶次,并通过气动系统实验平台获取实验数据,使用参数辨识算法辨识气动系统的模型参数,获得气动系统较为准确的数学模型,为气动系统位置跟踪控制进一步的研究打下基础。其次,针对气动系统的实际工况中可能会出现系统输入量发生突变的问题导致系统位移出现巨大抖动,在反步法为基础的控制器中加入跟踪微分器,通过安排过渡过程优化气动系统的输入量;此外,本文将跟踪微分器引入控制器的设计之中,避免了反步法因连续求导引起的局部极限不存在的问题,简化控制器的结构,便于工程实现。再次,针对系统不可避免地会受到干扰的影响,本文设计一种基于非线性干扰观测器与反步法控制相结合的控制策略,通过干扰观测器对干扰的估计和补偿,提高气动系统的抗干扰能力;针对实际系统中存在不确定动态以及不可避免的干扰问题,本文将扩张状态观测器与反步法控制进行结合,将系统不确定项与外部未知干扰看作系统“总的干扰”,并通过扩张状态观测器对干扰估计值与系统状态的观测值一并补偿给控制器,以此提高系统输出的准确性和鲁棒性。通过实验仿真验证所设计的控制策略的有效性。最后,根据气动系统的工作原理设计气动位置跟踪控制实验平台,对两种控制策略进行程序化设计,并利用气动系统实验平台对所提出的控制策略进行位置跟踪实验验证。实验结果表明,在实验平台存在未知干扰和动态不确定的情况下,只考虑未知干扰的基于干扰观测器的反步法控制器能够获得良好位置跟踪控制效果;将未知干扰跟动态不确定性同时考虑的基于扩张状态观测器的反步法控制器具有更好的位置跟踪控制效果,更加适用于实际工程。
管桩焊接机器人运动机构及控制器设计
这是一篇关于PHC管桩,自动焊接机器人,滑模控制,扩张状态观测器,广义扩张状态观测器的论文, 主要内容为随着国内建筑业的迅速发展,管桩被大量应用在建筑、道路、桥梁等领域,其中PHC管桩由于其标准化程度高、造价低、承重能力强等优点,被广泛应用于各种场景下,逐渐取代其他类型桩基。与此同时,管桩自动焊接的需求也日益增强,管桩焊接机器人由于其高效率、安全性好、焊接质量可靠等优点,在焊接领域中发挥着越来越重要的作用。PHC管桩主体为混凝土制,因此传统基于磁吸附的自动焊接机器人不适用于该应用场景。本课题研发了面向PHC管桩的自动焊接机器人,并重点研究了焊接机器人的关键运动机构和控制器的设计方案。本文首先详细分析了管桩焊接机器人的应用场景和功能需求,基于分析结果给出了焊接机器人的设计参数。接下来给出了管桩焊接机器人运动机构硬件的详细设计方案,包括抱桩轨道和焊接机器人主体两大部分。其次对管桩焊接机器人进行建模,重点分析了管桩焊接机器人中存在的齿隙非线性结构,介绍了齿隙非线性的几种常见模型和适用场合。考虑到管桩焊接机器人中齿轮轨道的材料与结构特性,选取了齿隙迟滞模型作为研究对象,并将齿隙迟滞模型等效为具有有界误差的全局线性化齿隙模型,证明了模型误差有上界。一方面,基于全局线性化后的齿隙模型,考虑到系统受到的摩擦、外界扰动以及模型误差等不确定性,设计了扩张状态观测器(ESO)对系统中存在的综合扰动进行观测,并设计了滑模控制器,证明了控制方案的稳定性,仿真实验证明了其控制效果优于传统PID方案和传统滑模控制方案。另一方面,针对传统ESO无法准确观测时变信号的缺点,提出了一种设计广义ESO的方法。利用外界扰动中的已知信息,重构系统模型并设计广义ESO,理论证明和仿真实验表明该方法可以实现对扰动中已知分量的准确估计。对于管桩焊接机器人系统,基于广义ESO的滑模控制器相较于基于传统ESO的滑模控制器可以更好的跟踪给定信号。最后介绍了管桩焊接机器人控制系统的设计与实现,包括硬件平台的设计与软件系统的开发。管桩焊接机器人使用树莓派和STM32作为核心控制器,上位机客户端使用Qt作为开发框架,设计了管桩焊接机器人控制系统,可以控制焊接机器人的启停、焊接速度、摆动速度等,同时焊接机器人可以将焊接完成部分的图像传输到上位机,方便施工人员观察。模拟焊接实验证明了本管桩焊接机器人的有效性,能够有效满足管桩自动焊接的要求。
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